專利名稱：一種可提高效率和均勻性的泵浦方法及板條型固體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種泵浦方法及激光器，特別是關(guān)于一種可提高效率和均勻性的泵 浦方法及板條型固體激光器。
技術(shù)背景激光自1960年發(fā)明以來，已經(jīng)迅速成為社會進(jìn)步發(fā)展的主要推動力量。固體 激光器是應(yīng)用最為廣泛的一類激光器，涉及科學(xué)研究、生產(chǎn)加工、國防軍事、醫(yī)療 生物等各個領(lǐng)域。固體增益介質(zhì)受熱影響產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)和熱致雙折射，導(dǎo)致激光 器的輸出功率和光束質(zhì)量受到限制，是制約固體激光器進(jìn)一步發(fā)展和普及應(yīng)用的重 要因素。傳統(tǒng)固體激光器的增益介質(zhì)一般為圓棒狀，其軸對稱結(jié)構(gòu)使熱效應(yīng)形成比 較規(guī)則的熱透鏡，便于抑制；但圓棒狀介質(zhì)散熱效果不好，熱影響非常嚴(yán)重，采用 各種抑制措施的結(jié)果不太理想，為了改善散熱效果，逐漸將激光介質(zhì)發(fā)展為板條形 狀，既加大了散熱面積，加快了散熱速度，又將二維熱效應(yīng)簡化為一維熱效應(yīng)，使 熱效應(yīng)得到了極大程度的抑制。現(xiàn)有技術(shù)對板條型固體激光器的泵浦主要采用以下幾種方式泵浦光3從端面 入射的端面泵浦(如圖10所示)、泵浦光3從側(cè)面入射的側(cè)面泵浦(如圖11所示)、 泵浦光3從邊緣入射的邊緣泵浦(如圖12所示)和泵浦光3從角上入射的角泵浦(如圖13所示)等。端面泵浦結(jié)構(gòu)的吸收光程比較長，從而泵浦光被充分吸收， 泵浦效率高。但由于端面面積小，泵浦光的功率可擴(kuò)展性差，同時(shí)耦合結(jié)構(gòu)比較復(fù) 雜，泵浦光能量分布的均勻性也比較差。側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)中，在增益介質(zhì)上保持一維的溫度梯度分布，有效地改善了激光 增益介質(zhì)的熱效應(yīng)，泵浦功率可擴(kuò)展性好。但是泵浦光的吸收光程較短，不能被充 分吸收，同時(shí)泵浦面與散熱面重合，必須采用復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理。1996年，A. Faulstich等報(bào)道了一種新型的側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)(如圖14所示)，在板條的冷卻表面 11附近設(shè)置開有狹縫12的反射鏡13使泵浦光從狹縫透射進(jìn)入，反射鏡上鍍制的高 反射光學(xué)薄膜使泵浦光在增益介質(zhì)中多次反射(詳見A. Faulstich， H. J. Baker， and D. R. Hall, Face pumping of thin, solid—state slab lasers with laser diodes, Opt. Lett. 21， 594(1996))。此泵浦結(jié)構(gòu)解決了側(cè)面泵浦吸收光程短的 問題，但此結(jié)構(gòu)的泵浦面和冷卻表面重合，使系統(tǒng)復(fù)雜化。邊緣泵浦結(jié)構(gòu)也具有一維熱效應(yīng)分布和泵浦功率可擴(kuò)展性好的優(yōu)點(diǎn)，但泵浦光 通過增益介質(zhì)次數(shù)很少，泵浦吸收效率低，均勻性差。角泵浦結(jié)構(gòu)中，吸收長度長，泵浦光吸收充分，同時(shí)結(jié)合熱鍵合技術(shù)，采用中間摻雜四周不摻雜的復(fù)合板條可獲 得很高的泵浦功率密度和泵浦均勻性，但是由于鍵合面非絕熱，板條結(jié)構(gòu)存在二維 溫度梯度分布。 發(fā)明內(nèi)容針對上述問題，本發(fā)明的目的是提出一種可提高效率和均勻性的泵浦方法及板 條型固體激光器。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案 一種可提高效率和均勻性的 泵浦方法，其特征在于將激光器中的板條型增益介質(zhì)的至少一個非冷卻表面作為 泵浦面，在所述泵浦面上鍍制對泵浦波長的高反射光學(xué)薄膜作為反射膜，在所述反 射膜上設(shè)置與所述泵浦源數(shù)量相同的透光狹縫，使泵浦光從所述反射膜的狹縫進(jìn)入 板條型增益介質(zhì)后，在所述板條型增益介質(zhì)內(nèi)經(jīng)多次反射，而提高泵浦效率和均勻 性。在上述方法中，可以在所述板條型增益介質(zhì)上除冷卻面和泵浦面以外的其它表面也鍍制反射膜。在上述方法中，可以在所述板條型增益介質(zhì)內(nèi)設(shè)置至少一個摻雜區(qū)域。一種采用上述方法的板條型固體激光器，它包括泵浦源，板條型增益介質(zhì)，所 述泵浦源發(fā)出的泵浦光入射或經(jīng)耦合系統(tǒng)入射至所述板條型增益介質(zhì)，其特征在 于所述增益介質(zhì)的至少一個非冷卻表面作為泵浦面，在所述泵浦面上鍍制對于泵 浦波長的高反射光學(xué)薄膜作為反射膜，所述反射膜上具有與所述泵浦源數(shù)量相同的 使泵浦光能夠透射進(jìn)入所述板條型增益介質(zhì)的透光狹縫。所述板條型增益介質(zhì)上除冷卻面和泵浦面以外的其它表面也鍍制有反射膜。所述板條型增益介質(zhì)內(nèi)設(shè)置有至少一個摻雜區(qū)域。所述摻雜區(qū)域的截面形狀為矩形或圓形。所述增益介質(zhì)為固體激光增益介質(zhì)、激光晶體、激光玻璃介質(zhì)、激光塑料介質(zhì) 和激光陶瓷介質(zhì)之一。所述泵浦源是單條的或多條的激光二極管，激光在所述增益介質(zhì)中的傳輸采用直通光路或鋸齒形光路中的一種。 所述泵浦源的泵浦方式為連續(xù)式或脈沖式中的一種。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明方法將板條型增 益介質(zhì)的至少一個非冷卻表面作為泵浦面，在泵浦面上鍍制留有狹縫的光學(xué)反射 膜，使泵浦光從反射膜的狹縫進(jìn)入板條型增益介質(zhì)，并在板條型增益介質(zhì)內(nèi)經(jīng)過多 次反射，因此可以實(shí)現(xiàn)提高本發(fā)明泵浦效率和泵浦均勻性的目的。2、本發(fā)明在冷 卻面和泵浦面以外的其它表面也設(shè)置反射膜，因此可以使板條型增益介質(zhì)的內(nèi)部表\面形成一個對泵浦光近似封閉的反射腔體，泵浦光在板條型增益介質(zhì)中多次反射， 幾乎全部被板條型增益介質(zhì)吸收，只有很少一部分逸出，因此可以進(jìn)一步提高泵浦 效率和泵浦均勻性。3、本發(fā)明在板條型增益介質(zhì)中設(shè)置摻雜區(qū)域，可以保證中間 區(qū)域吸收的泵浦光均勻性很好，很大程度上解決了單一增益介質(zhì)時(shí)板條邊緣區(qū)域吸 收泵浦光比中間區(qū)域少的問題。4、采用本發(fā)明方法制作的板條型固體激光器，可 以實(shí)現(xiàn)較長的吸收路徑和較高的吸收效率，進(jìn)而提高激光器的總體效率；并可達(dá)到 更高的泵浦功率密度和更好的泵浦均勻性。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，泵浦效率 高，泵浦均勻性和泵浦功率可擴(kuò)展性好，能實(shí)現(xiàn)板條型固體激光器的高光一光轉(zhuǎn)換 效率和高功率輸出運(yùn)轉(zhuǎn)，本發(fā)明可以廣泛用于各種板條型固體激光器中。


圖l是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖 圖2是本發(fā)明另一實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖 圖3是本發(fā)明在板條型增益介質(zhì)表面的鍍膜的情況示意圖 圖4是圖2的工作原理示意圖 圖5是本發(fā)明采用鋸齒形光路進(jìn)行激光傳輸示意圖 圖6是本發(fā)明采用另一種鋸齒形光路進(jìn)行激光傳輸示意圖 圖7是本發(fā)明含有摻雜區(qū)域的板條的結(jié)構(gòu)示意圖 圖8是圖7中B—B剖面的矩形橫截面示意圖 圖9是圖7中B — B剖面的圓形橫截面示意圖 圖10是一般板條端面泵浦方法的結(jié)構(gòu)示意圖 圖11是一般板條惻面泵浦方法的結(jié)構(gòu)示意圖 圖12是一般板條邊緣泵浦方法的結(jié)構(gòu)示意圖 圖13是一般板條角泵浦方法的結(jié)構(gòu)示意圖 圖14是A. Faulstich報(bào)道中的板條側(cè)面泵浦方法的結(jié)構(gòu)示意圖具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。如圖1所示，本發(fā)明的板條型固體激光器包括泵浦源l，耦合系統(tǒng)2，泵浦光3 和板條型增益介質(zhì)4，板條型增益介質(zhì)4有六個表面。泵浦光3由泵浦源1發(fā)出， 經(jīng)耦合系統(tǒng)2入射到板條型增益介質(zhì)4。其中泵浦源1和耦合系統(tǒng)2的數(shù)量可以是 一個或多個，板條型增益介質(zhì)4可以采用兩個非冷卻表面作為泵浦面，也可以只有 一個泵浦面(如圖2所示)，板條型增益介質(zhì)4的上下兩個端面可以作為冷卻表面。 本發(fā)明方法是在泵浦面上鍍制具有透光狹縫5的反射膜6 (如圖3所示)，反射膜6 為對于泵浦波長的高反射光學(xué)薄膜，狹縫5的數(shù)量與泵浦源1數(shù)量相應(yīng)，泵浦光3能夠經(jīng)過狹縫5透射進(jìn)入板條型增益介質(zhì)4的內(nèi)部，板條型增益介質(zhì)4的其它表面 可以鍍制同樣的反射膜6，也可以不鍍制。如圖2、圖4所示，本實(shí)施例中，板條型增益介質(zhì)4只有一個泵浦面，五個作 為泵浦光源1的激光二極管陣列通過耦合系統(tǒng)2對板條型增益介質(zhì)4進(jìn)行泵浦。板 條型增益介質(zhì)4的四個側(cè)面都鍍制有反射膜6，其中作為泵浦面的前惻面上的反射 膜6上留有五個尺寸與耦合系統(tǒng)2出射泵浦光3的尺寸相匹配的狹縫5，供泵浦光 3透射進(jìn)入板條型增益介質(zhì)4，被傳輸激光的入射光束7和出射光束8如粗箭頭所 示。板條型增益介質(zhì)4上下端面作為冷卻表面，與熱沉相接觸。由于板條型增益介 質(zhì)4的四個表面都設(shè)置有反射膜6，因此板條型增益介質(zhì)4的內(nèi)部表面構(gòu)成一個對 泵浦光3近似封閉的反射腔體，泵浦光3在板條型增益介質(zhì)4中多次反射，幾乎全 部被板條型增益介質(zhì)4吸收，只有很少一部分逸出，實(shí)現(xiàn)了很高的泵浦效率和泵浦 均勻性。上述兩實(shí)施例只是給出了板條型固體激光器的一、兩種泵浦結(jié)構(gòu)和鍍制光學(xué)薄 膜的情況，并沒有描述所有的可能。實(shí)際上，板條型增益介質(zhì)4還可以采用端面泵 浦、角泵浦等方式，只要將板條型增益介質(zhì)4的非冷卻表面作為泵浦面，并在泵浦 面上鍍制留有狹縫5使泵浦光3進(jìn)入的反射膜6，就可以實(shí)現(xiàn)泵浦光3在板條型增 益介質(zhì)4內(nèi)部的多次反射，即為本發(fā)明所涵蓋的范圍。本發(fā)明板條型固體激光器的激光傳輸可采用直通光路或者鋸齒形光路傳輸。如 圖5所示，鋸齒形光路可以在一定程度上均化板條型增益介質(zhì)4內(nèi)部的溫度梯度， 降低熱透鏡效應(yīng)和應(yīng)力雙折射效應(yīng)。鋸齒形光路可以具有各種不同的形式，比如激 光傳輸?shù)娜肷涔馐?和出射光束8位于相反的兩端；再比如入射光束7和出射光 束8位于同一端(如圖6所示)；還可以有其它傳輸方式，不再一一列舉。上述各實(shí)施例中，板條型增益介質(zhì)4由固體激光材料構(gòu)成，其橫截面采用長方 形或者正方形。板條型增益介質(zhì)4可以為單一的激光增益介質(zhì)，也可以包括一個或 多個摻雜區(qū)域，如圖7所示，在板條型增益介質(zhì)4的中心部分包括一個摻雜區(qū)域9， 四周為未慘雜材料。摻雜區(qū)域9的橫截面可以是矩形(如圖8所示)，或者圓形(如 圖9所示)，還可以是其它形狀。上述各實(shí)施例中，泵浦源l可以是單條的或多條的激光二極管，泵浦光3入射 方式可以是經(jīng)透光狹縫5直接入射到板條型增益介質(zhì)4內(nèi)部，也可以通過光學(xué)耦合 系統(tǒng)2耦合到板條型增益介質(zhì)4內(nèi)部。上述實(shí)施例中，板條型增益介質(zhì)4吸收泵浦光3的區(qū)域溫度會升高，為了冷卻 板條型增益介質(zhì)4，可以采用不同的冷卻方法，傳導(dǎo)和對流冷卻系統(tǒng)都是適合的。 泵浦源的泵浦方式可以是連續(xù)的，也可以是脈沖的。
權(quán)利要求
1. 一種可提高效率和均勻性的泵浦方法，其特征在于將激光器中的板條型增益介質(zhì)的至少一個非冷卻表面作為泵浦面，在所述泵浦面上鍍制對泵浦波長的高反射光學(xué)薄膜作為反射膜，在所述反射膜上設(shè)置與所述泵浦源數(shù)量相同的透光狹縫，使泵浦光從所述反射膜的狹縫進(jìn)入板條型增益介質(zhì)后，在所述板條型增益介質(zhì)內(nèi)經(jīng)多次反射，而提高泵浦效率和均勻性。
2、 一種可提高效率和均勻性的泵浦方法，其特征在于在所述板條型增益介 質(zhì)上除冷卻面和泵浦面以外的其它表面也鍍制反射膜。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的一種可提高效率和均勻性的泵浦方法，其特征在 于在所述板條型增益介質(zhì)內(nèi)設(shè)置至少一個摻雜區(qū)域。
4、 一種采用權(quán)利要求1 3所述方法的板條型固體激光器，它包括泵浦源，板 條型增益介質(zhì)，所述泵浦源發(fā)出的泵浦光入射或經(jīng)耦合系統(tǒng)入射至所述板條型增益 介質(zhì)，其特征在于所述增益介質(zhì)的至少一個非冷卻表面作為泵浦面，在所述泵浦 面上鍍制對于泵浦波長的高反射光學(xué)薄膜作為反射膜，所述反射膜上具有與所述泵 浦源數(shù)量相同的使泵浦光能夠透射進(jìn)入所述板條型增益介質(zhì)的透光狹縫。
5、 如權(quán)利要求4所述的一種板條型固體激光器，其特征在于所述板條型增 益介質(zhì)上除冷卻面和泵浦面以外的其它表面也鍍制有反射膜。
6、 如權(quán)利要求4或5所述的一種板條型固體激光器，其特征在于所述板條 型增益介質(zhì)內(nèi)設(shè)置有至少一個摻雜區(qū)域。
7、 如權(quán)利要求6所述的一種板條型固體激光器，其特征在于所述摻雜區(qū)域 的截面形狀為矩形和圓形中的一種。
8、 如權(quán)利要求4或5或6或7所述的一種板條型固體激光器，其特征在于所述增益介質(zhì)為固體激光增益介質(zhì)、激光晶體、激光玻璃介質(zhì)、激光塑料介質(zhì)和激 光陶瓷介質(zhì)之一。
9、 如權(quán)利要求4或5或6或7或8所述的一種板條型固體激光器，其特征在于所述泵浦源是單條的或多條的激光二極管。
10、 如權(quán)利要求4或5或6或7或8或9所述的一種板條型固體激光器，其特 征在于激光在所述增益介質(zhì)中的傳輸采用直通光路或鋸齒形光路中的一種。
11、 如權(quán)利要求4或5或6或7或8或9或10所述的一種板條型固體激光器， 其特征在于所述泵浦源的泵浦方式為連續(xù)式或脈沖式中的一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可提高效率和均勻性的泵浦方法及板條型固體激光器，其特征在于將激光器中的板條型增益介質(zhì)的至少一個非冷卻表面作為泵浦面，在所述泵浦面上鍍制對泵浦波長的高反射光學(xué)薄膜作為反射膜，在所述反射膜上設(shè)置與泵浦源的數(shù)量相應(yīng)的使泵浦光能夠透射進(jìn)入所述板條型增益介質(zhì)的透光狹縫。本發(fā)明的泵浦光在板條型增益介質(zhì)內(nèi)部多次反射，提高了增益介質(zhì)對泵浦光的吸收效率和吸收均勻性。本發(fā)明將激光介質(zhì)與多次反射泵浦腔結(jié)合在一起，結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，可以有效解決板條型激光器泵浦效率和均勻性較低以及泵浦功率可擴(kuò)展性較差的問題。
文檔編號H01S3/091GK101282021SQ20071006510
公開日2008年10月8日 申請日期2007年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月3日
發(fā)明者星 付, 何發(fā)紅, 鞏馬理, 張海濤, 強(qiáng) 柳, 平 閆, 磊 黃 申請人:清華大學(xué)